CN116170081B - 基于链路感知的量子通信协议自动切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的基于链路感知的量子通信协议自动切换方法，将多种量子通信协议的信号处理光路集成到同一光学平台上，通信双方通过激光建立基本通信手段，根据激光传输后产生的波前畸变确定通信链路的信道状态，根据信道对偏振、相位、路径、模场分布等光学自由度产生的扰动大小选择最优量子通信协议。本发明所述方法不仅适用于自由空间光学信道，还适用于自由空间‑光纤任意切换的混合信道，并可通过超大规模芯片集成光路实现多种量子通信协议的一体化集成，实现多种气象条件下、多种应用场景下量子通信在成码率、稳定性、补偿闭环时间等多参数方面的权衡最优。

Description

基于链路感知的量子通信协议自动切换方法

技术领域

本发明属于测量光学、激光通信和量子通信的交叉学科，具体是指通过激光通信信号测量链路状态、根据链路信道特性自动切换损耗最低稳定性最强的量子通信协议的方法，尤其涉及一种基于链路感知的量子通信协议自动切换方法。

背景技术

量子通信，基于海森堡测不准原理、量子不可克隆原理、量子不可分离原理等，是一种理论上具备无条件安全特性的新型通信手段。量子通信通常以光量子为载体，光量子态编码于偏振、相位、到达时间、路径、模场分布等自由度，不同的自由度编码方案被称之为量子通信协议。另一方面，按照信道划分，可将量子通信系统分为光纤量子通信和自由空间量子通信，光纤量子通信信道相对稳定，但传输损耗会随传输距离增长，导致量子通信成码率急剧下降；自由空间光学信道需要建立相对稳定的光学信道，但以星地量子通信为代表的自由空间光学信道传输损耗相对固定（不考虑恶劣气象条件影响下），是目前最有望实现全球覆盖量子通信的主要手段。

与激光通信相比，量子通信更易受到信道影响。根据信道特性选取合适的量子通信协议（也就是说根据信道特性选取合适的光量子自由度），能够在有限成码率条件下达到各方面性能的最优。例如，对于光纤信道而言，相位编码协议比偏振编码协议稳定性更强；对于自由空间而言，偏振编码协议稳定性比光纤信道更强。

发明内容

针对上述缺陷，本发明要解决的技术问题是如何将多种量子通信协议的信号处理光路集成到同一光学平台上，通过简单的路径选择光路控制即可实现不同协议的自由切换；通过激光通信或光纤通信为通信双方建立基本通信手段，根据激光传输产生的波前畸变即便确定通信链路的信道状态，根据偏振、相位、路径、模场分布等光学自由度的扰动大小选择最优量子通信协议，根据成码率、稳定性等性能指标的具体需求控制路径选择光路完成量子通信的协议切换。

针对上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于链路感知的量子通信协议自动切换方法，将多种量子通信协议的信号处理光路集成到同一光学平台上，实现相同的量子光源、单光子探测器共享，并通过路径选择光路实现不同协议的自由切换；建立通信双方基本通信手段，通过波前探测器探测信道对光学自由度的扰动大小；根据性能指标的具体需求，结合通信链路信道条件，选择最优量子通信协议，通过路径选择光路控制完成协议切换。

优选的，上述方法通过激光通信或光纤通信为通信双方建立基本通信手段，实现通信链路状态感知。

优选的，上述光学自由度包括但不限于偏振、相位、路径、模场分布。

优选的，上述性能指标包括但不限于成码率、稳定性。

优选的，上述方法具体包括以下步骤：

S1、通信一方激光光源产生线偏振激光信号，通过跟瞄系统发送给通信另一方，通信另一方通过线偏振波前探测器接收此激光信号；

S2、 根据波前探测器测量的偏振旋转随时间变化情况、相位起伏随时间变化情况、光程随时间的起伏变化、模场空间分布随时间的起伏变化；

S3、将信道评估参数做归一化处理，确定扰动最小、稳定性最强、潜在通信速率最高的最优量子通信协议；

S4、控制路径选择器，使量子光源通过对应的调制模块，同时控制路径选择器，使接收的量子通信信号通过对应的解调模块并由单光子探测器探测。

优选的，上述S3中信道评估参数包括偏振消光比、相位起伏率、光程抖动率和M²因子。

优选的，上述方法具体包括：

S101、将对应多种量子通信协议的量子通信系统集成到同一光学平台上，对应不同量子通信协议的各种量子通信系统全部或部分共享量子光源、单光子探测器、时域分析仪等仪器，各种量子通信系统之间通过路径选择光路进行切换选择，收发端口保持同步；

S102、通过激光通信系统传输和波前探测器探测的方式，实现链路感知；

S103、对偏振消光比、相位起伏率、光程抖动率和M²因子做归一化处理，即将产生相同量子通信速率退化比的偏振消光比、相位起伏率、光程抖动率和M²因子的数值做统一处理，根据实测结果判断扰动最小的自由度，控制通信双方多协议量子通信系统的路径选择光路，使其按照最佳量子通信协议运行，直至链路状态发生变化并产生新的最优量子通信协议。

优选的，上述S101中所述光学平台可以是自由空间光路平台、全光纤平台或芯片集成光学平台，所述量子通信系统可以由量子密钥分发和经典通信组成的量子保密通信系统也可以是量子直接通信系统。

优选的，上述S102中对自由空间链路偏振信道进行分析，激光光源产生线偏振激光并通过跟踪瞄准系统传输到通信对端的波前探测器内，波前探测器配合检偏器能够知悉整个跟瞄系统口径内每一处偏振扰动的起伏大小和变化速率。

本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法。

与现有技术相比，本发明达到了以下技术效果：

首先，本发明提出利用链路感知决策量子通信协议的技术路线，在不同链路、不同气象条件下能够通过量子通信协议的最优选择实现量子通信传输速率和稳定性等性能的权衡最优；

其次，本发明提出将多种量子通信协议集成到同一光学平台的设计理念，采用芯片集成光路方案能够具备与单套量子通信系统几乎相同的载荷和制备成本；

最后，基于1550nm工作波段，本发明提出的技术方案同时满足光纤量子通信和自由空间量子通信需求，即能通过相位协议的选择解决光纤量子通信的稳定性问题、通过偏振协议的选择解决自由空间量子通信的稳定性问题，达到一套设备、多种用途的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明基于链路感知的量子通信协议自动切换方法的一实施例示意图；

图2示出了本发明基于链路感知的量子通信协议自动切换方法的具体实施例示意图；

图3示出了本发明基于链路感知的量子通信协议自动切换方法的另一实施例示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

如图1所示，本发明提供了一种基于链路感知的量子通信协议自动切换方法的实施例，包括：

S101、收发一体多协议量子通信系统的建立，将多种量子通信协议的信号处理光路集成到同一光学平台上，可共享相同的量子光源、单光子探测器，并通过路径选择光路实现不同协议的自由切换；

S102、通信链路状态感知，通过激光通信或光纤通信为通信双方建立基本通信手段，通过波前探测器探测信道对偏振、相位、路径、模场分布等光学自由度的扰动大小；

S103、量子通信协议切换，根据成码率、稳定性等性能指标的具体需求，结合通信链路信道条件，选择最优量子通信协议，通过路径选择光路控制完成协议切换。

如图2所示，本实施例还提供一种基于链路感知的量子通信协议自动切换方法，主要面向自由空间信道，具体包括以下步骤：

S1、通信一方激光光源产生线偏振激光信号，通过跟瞄系统发送给通信另一方，通信另一方通过线偏振波前探测器接收此激光信号；

S2、 根据波前探测器测量的偏振旋转随时间变化情况、相位起伏随时间变化情况、光程随时间的起伏变化、模场空间分布随时间的起伏变化；

S3、将偏振消光比、相位起伏率、光程抖动率和M²因子等信道评估参数做归一化处理，确定扰动最小、稳定性最强、潜在通信速率最高的最优量子通信协议；

S4、控制路径选择器，使量子光源通过对应的调制模块，同时控制路径选择器，使接收的量子通信信号通过对应的解调模块并由单光子探测器探测。

如图3所示，本实施例展示了基于链路感知的量子通信协议自动切换方法实施例，具体包括：

S201、将对应多种量子通信协议的量子通信系统集成到同一光学平台上，光学平台可以是自由空间光路平台、全光纤平台或芯片集成光学平台；

S202、通过激光通信系统传输+波前探测器探测的方式，实现链路感知；

S203、对偏振消光比、相位起伏率、光程抖动率和M2因子等信道评估参数做归一化处理，即将产生相同量子通信速率退化比的偏振消光比、相位起伏率、光程抖动率和M2因子的数值做统一处理，根据实测结果判断扰动最小的自由度，控制通信双方多协议量子通信系统的路径选择光路，使其按照最佳量子通信协议运行，直至链路状态发生变化并产生新的最优量子通信协议。

在一些实施例中，S201中的量子通信系统既可以由量子密钥分发和经典通信组成的量子保密通信系统也可以是量子直接通信系统。

在一些实施例中，S201中的量子通信协议包括但不限于BB84、BBM92、E91、Decoy、COW、DPS、DPTS等，对应不同量子通信协议的各种量子通信系统可以全部或部分共享量子光源、单光子探测器、时域分析仪等仪器，各种量子通信系统之间通过路径选择光路进行切换选择，收发端口保持同步。

在一些实施例中，S202中的感知自由度包括但不限于偏振、相位、时间、模场等，信道类型包括但不限于光纤和自由空间，测量内容包括时变信号、频率分布等。

在一些实施例中，以自由空间链路偏振信道分析为例，激光光源产生线偏振激光并通过跟踪瞄准系统传输到通信对端的波前探测器内，波前探测器配合检偏器能够知悉整个跟瞄系统口径内每一处偏振扰动的起伏大小和变化速率。

在一些实施例中，根据光纤链路距离计算或直接测量信道损耗，根据信道损耗核算干涉对比度和量子比特误码率的理论阈值，当干涉对比度低于理论阈值或量子比特误码率高于理论阈值时即认为无法通过弃用部分比特达到安全通信效果。

本发明还提供一种基于链路感知的量子通信协议自动切换方法的实施例，将多种量子通信协议的信号处理光路集成到同一光学平台上，通信双方通过激光建立基本通信手段，根据激光传输后产生的波前畸变确定通信链路的信道状态，根据信道对偏振、相位、路径、模场分布等光学自由度产生的扰动大小选择最优量子通信协议。

在一些实施例中，所述量子通信中的通信双方由独立的量子信道互联，通信双方共享信息满足不可克隆和不可复制原理，通信双方通过协商交互和信息后处理等手段删除错误信息并获取同步共享的量子真随机数序列，量子通信系统的工作模式包括但不限于两类，一是通过量子密钥分发和“一次一密”加解密操作实现加密通信，二是以量子作为信息载体直接开展量子直接通信。通信协议包括但不限于BB84协议、E91协议、BBM92协议、高维量子密钥分发协议、时间-能量纠缠协议、TF协议、连续变量量子密钥分发协议、量子直接通信协议等；信息载体包括但不限于光量子、自旋电子等，量子信道包括但不限于光纤、电缆、自由空间等，编码自由度包括但不限于偏振、时间比特、相位、频率、模场、自旋方向等。

在一些实施例中，所述链路监测为通过激光信号的传输和波前探测器的探测实现自由度扰动随时间、频率变化的特征曲线，按照归一化评估标准定量分析链路状态，链路包括但不限于光纤链路和自由空间光学链路，监测的自由度包括但不限于偏振、相位、时间、模场等，不限定激光信号的工作波段、不限定各自由度监测模块的结构和参数，链路监测评估参数包括但不限于偏振消光比、相位起伏率、光程抖动率、M2因子、桶中功率等，凡通过信号传输探测确定信道状态均属本发明权利要求范围。

在一些实施例中，所述协议切换为对应多种量子通信协议的量子通信系统集成到同一光学平台上，光学平台可以是自由空间光路平台、全光纤平台或芯片集成光学平台，量子通信系统既可以由量子密钥分发和经典通信组成的量子保密通信系统也可以是量子直接通信系统，对应不同量子通信协议的各种量子通信系统可以全部或部分共享量子光源、单光子探测器、时域分析仪等仪器，各种量子通信系统之间通过路径选择光路进行切换选择，收发端口保持同步；链路监测后需对偏振消光比、相位起伏率、光程抖动率和M2因子等信道评估参数做归一化处理，即将产生相同量子通信速率退化比的偏振消光比、相位起伏率、光程抖动率和M2因子的数值做统一处理，确定“速率最高”、“闭环时间最短”、“稳定性最强”等应用需求后，根据统一处理的评估参数确定最优量子通信协议，量子通信协议的切换可以通过光学手段、电学手段甚至是信息学手段完成，使其按照最佳量子通信协议运行，直至链路状态发生变化并产生新的最优量子通信协议，凡通过链路状态监测评估最优通信协议并通过协议切换达到通信性能权衡最优的技术方案均在本发明权利要求范围。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

首先，本发明提出利用链路感知决策量子通信协议的技术路线，在不同链路、不同气象条件下能够通过量子通信协议的最优选择实现量子通信传输速率和稳定性等性能的权衡最优；

其次，本发明提出将多种量子通信协议集成到同一光学平台的设计理念，采用芯片集成光路方案能够具备与单套量子通信系统几乎相同的载荷和制备成本；

最后，基于1550nm工作波段，本发明提出的技术方案同时满足光纤量子通信和自由空间量子通信需求，即能通过相位协议的选择解决光纤量子通信的稳定性问题、通过偏振协议的选择解决自由空间量子通信的稳定性问题，达到一套设备、多种用途的效果。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种基于链路感知的量子通信协议自动切换方法，将多种量子通信协议的信号处理光路集成到同一光学平台上，通信一方激光光源产生线偏振激光信号，通过跟瞄系统发送给通信另一方，通信另一方通过线偏振波前探测器接收此激光信号；根据波前探测器测量的偏振旋转随时间变化情况、相位起伏随时间变化情况、光程随时间的起伏变化、模场空间分布随时间的起伏变化；将信道评估参数做归一化处理，确定扰动最小、稳定性最强、潜在通信速率最高的最优量子通信协议；控制路径选择器，使量子光源通过对应的调制模块，同时控制路径选择器，使接收的量子通信信号通过对应的解调模块并由单光子探测器探测；建立通信双方基本通信手段，通过波前探测器探测信道对光学自由度的扰动大小；根据性能指标的具体需求，结合通信链路信道条件，选择最优量子通信协议，通过路径选择光路控制完成协议切换。

2.根据权利要求1所述的基于链路感知的量子通信协议自动切换方法，其特征在于，所述方法通过激光通信或光纤通信为通信双方建立基本通信手段，实现通信链路状态感知。

3.根据权利要求1所述的基于链路感知的量子通信协议自动切换方法，其特征在于，所述光学自由度包括但不限于偏振、相位、路径、模场分布。

4.根据权利要求1所述的基于链路感知的量子通信协议自动切换方法，其特征在于，所述性能指标包括但不限于成码率、稳定性。

5.根据权利要求1所述的基于链路感知的量子通信协议自动切换方法，其特征在于，所述信道评估参数包括偏振消光比、相位起伏率、光程抖动率和M²因子。

6.根据权利要求1所述的基于链路感知的量子通信协议自动切换方法，其特征在于所述方法具体包括：

S101、将对应多种量子通信协议的量子通信系统集成到同一光学平台上，对应不同量子通信协议的各种量子通信系统全部或部分共享量子光源、单光子探测器、时域分析仪，各种量子通信系统之间通过路径选择光路进行切换选择，收发端口保持同步；

S102、通过激光通信系统传输和波前探测器探测的方式，实现链路感知；

S103、对偏振消光比、相位起伏率、光程抖动率和M²因子做归一化处理，即将产生相同量子通信速率退化比的偏振消光比、相位起伏率、光程抖动率和M²因子的数值做统一处理，根据实测结果判断扰动最小的自由度，控制通信双方多协议量子通信系统的路径选择光路，使其按照最佳量子通信协议运行，直至链路状态发生变化并产生新的最优量子通信协议。

7.根据权利要求6所述的基于链路感知的量子通信协议自动切换方法，其特征在于，所述S101中所述光学平台是自由空间光路平台、全光纤平台或芯片集成光学平台，所述量子通信系统由量子密钥分发和经典通信组成的量子保密通信系统或量子直接通信系统。

8.根据权利要求6所述的基于链路感知的量子通信协议自动切换方法，其特征在于，所述S102中对自由空间链路偏振信道进行分析，激光光源产生线偏振激光并通过跟踪瞄准系统传输到通信对端的波前探测器内，波前探测器配合检偏器能够知悉整个跟瞄系统口径内每一处偏振扰动的起伏大小和变化速率。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现权利要求1-8任一项所述方法。